智能控制与节能管理在污水处理厂的应用_图文

1、一、引言环境保护是我国的一项基本国策,污水处理是保护生态环境的重要措施,节能减排是当今可持续发展的一项必要环节;特别是在目前国际金融危机蔓延全球的情况下,如何节约能源、降低消耗,有效控制污水处理厂的运行成本,提高企业的利润,增强企业的竞争力成为人们关注的重点。本文所研制污水处理优化节能控制系统是专门用于污水处理优化控制和节能降耗的自动化控制系统。本系统主要应用领域立足于采用活性污泥法的城市污水处理和工业废水处理行业,系统嵌入遗传算法、模糊控制等智能控制方法,实现污水处理的优化运行和精确控制,以达到节能降耗的目的;并提供具有专家经验的优化调度与管理策略,对生产过程调度和运行中产生问题的管理和控制

2、,提供专家诊断结果和修复指导建议。该系统已在某污水厂成功应用,并达到了节能降耗的目的。二、污水厂工艺介绍某污水处理厂位于湖南省中部地区,一期工程污水处理规模为10万m3/d,二期设计处理规模为20万m3/d,采用A-A/O氧化沟生物处理工艺。工艺流程图如图1所示。污水经进水泵房进入细格栅间,然后进入氧化沟,氧化沟后各接2个沉淀池。处理后的水经加氯间消毒后排出。污泥从沉淀池中回流至回流泵房,部分污泥回流至氧化沟,另一部分经脱水机房排出。三、控制系统设计1、系统总体结构根据工程的实际情况及工艺要求,自控系统采用“集中管理、分散控制、资源共享”的集散型系统。整个系统由信息层(管理层、监控层和现场控制

3、层组成。总体结构图如图2所示。中控室监控计算机和现场PLC控制分站通过光纤智能控制与节能管理在污水处理厂的应用文/吴巧媚,张立转(北京金控自动化技术有限公司,100089摘要:研制开发污水处理智能控制与节能管理系统,主要应用领域立足于采用活性污泥法的城市污水处理和工业废水处理行业,通过系统内的智能控制方法,实现污水处理的优化运行和精确控制,并提供具有专家经验的优化调度与管理策略,最终达到节能降耗的目的。关键词:污水处理,遗传算法,模糊控制,专家系统图1工艺流程图图控制系统总体结构图492和以太网交换机组成全厂工业以太环网。PLC站采用Siemens S7系列的产品,交换机采用MOXA-EDS系

4、列的产品,仪表系统以德国E+H品牌为主。整个污水处理控制系统可以分为3级:中央监控站,PLC控制站和现场设备。2、系统功能与实现中央监控站:信息层硬件系统由中控室的生产管理计算机站、服务器及配套网络传输线路、设备组成,通过高速工业以太网集成起来,完成系统的监视、控制、通信、显示及生产调度管理等功能。主要包括两台监控计算机,数据库服务器,模拟屏、大屏幕显示设备、报表输出设备、网络数据交换设备、UPS电源等设备构成,具有在线生产调度及对全厂设备进行自动和人工控制,完成实时监测和在线生产决策的管理控制功能。PLC控制站:控制层的网络体系采用TCP/IP网络协议以及环形拓扑结构,以光纤为通信介质,通过

5、以太网环网交换机构成带宽为100Mbps的工业以太网。该网络结构为自愈环网,其应用层采用开放的通信协议。PLC现场控制站用于现场各车间数据采集与控制,每个控制站的PLC将监测和控制有关区域的所有设备和过程,并且通过TCP/IP以太光纤环网与监控计算机相连,中控室能够观察到厂内重要设备的运行状态和工艺参数,完成对现场设备的操作与控制、参数的设置和修改。全厂根据需要共设立了8个PLC分站和一个远程泵站。现场设备:现场设备主要包括各种数据测量仪表以及各种工艺设备。成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表,是现代工业生产过程中进行自动监测和自动控制,以达到优质高产、节能降耗以及保证安全生产

6、和保护环境的目的。自动分析仪表是污水处理系统中对一些复杂化学成分进行检测的常用仪表,如污泥浓度计、总磷检测仪、氨氮检测仪、COD检测仪等。邵阳污水处理厂采用的仪表以德国E+H品牌为主,主要包括:超声波液位计、明渠流量计、PH计、溶解氧检测仪、污泥浓度计、氨氮检测仪、COD检测仪等。三、智能控制与管理系统设计优化节能控制系统包括两个主要部分:上位优化控制软件和下位PLC控制程序。其中,上位优化控制软件占主导地位,下位PLC控制程序起辅助作用。上位优化控制软件包括各种智能控制模块、专家诊断和管理系统、优化调度策略以及电能监测等功能模块,具有良好的人机界面,便于操作和管理。1、遗传算法优化控制遗传算

7、法是一种有效解决最优化问题的方法1。它是基于自然选择和群体遗传机理的搜索算法,它模拟了自然选择和自然遗传过程中的繁殖,交配和变异现象。它将每个可能的解看作是群体中的一个个体(染色体,并将每个个体编码成字符串的形式,根据预定的目标函数对每个个体进行评价。在本系统中遗传算法的主要功能是利用进水量、进水COD、进水DO、污泥浓度、处理量、曝气量、PH等参数通过遗传算法生成溶解氧、ORP等过程参数的优化控制曲线,该曲线即处理过程的最优运行曲线,也即控制目标曲线。遗传算法优化控制界面见图3。利用遗传算法计算出DO的最优值进行实时最优控制。实时控制曲线将会在界面的空白框中显示出来。工作人员可从界面中查看到

8、这一控制曲线。2、模糊控制的应用模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型,它能根据误差和误差的变化实现对被控变量的控制,具有较强的鲁棒性,被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显,可用于非线性、时变和时滞系统的控制,控制的实时性较好,控制机理符合人们对过程控制的直观描述和思维逻辑2。本系统采用模糊控制算法,将人的经验最大程度的运用到溶解氧和ORP等过程参数的控制中,避免了传统控制方式效果不理想的弊端,实现了反应过程的优化控制。选取DO为控制参数和DO的变化量来来控制鼓风机的频率。建立模糊控制规则表。控制界面见图4。污水处理DO模糊控制系统,通过调节鼓风机频率,将DO稳定地控制在理想的位置,提高了污

9、水处理效率,节省了能源,也使该控制系统具备了较好的稳定性和自适应能力。3、专家系统对于污水处理系统的故障诊断,目前主要采取计图3遗传算法氧化沟浓度优化控制界面5算机辅助监视与诊断技术。计算机辅助监视与诊断系统包含这些内容:利用自动化监控系统提供的功能,对系统进行连续的监测,在检测到故障信号后及时的向操作人员发出报管。大部分设备故障报警后系统会自动诊断出故障的原因和部位,但是复杂的工艺故障还必须进行进一步的分析和诊断。专家管理模块主要利用专家经验,实现对对生产过程调度和运行中产生问题的管理和控制,并提供专家诊断结果和修复指导建议。专家系统界面如图5。点击右上角的“开始诊断”按钮,将会在界面左边诊

10、断结果下方中给出诊断结果,若某个量出现非正常状态,可点击“开始分析”按钮,分析的结果将会在界面中间的分析结果中给出,点击“开始解决”按钮,将会在解决方案下给出专家提供的解决方案。工作人员可根据专家给出的方案进行操作。四、结论优化节能控制系统嵌入遗传算法、模糊控制等智能算法,实现对污水处理过程的有效控制,并根据经验,嵌入了专家控制模块,利用专家经验,实现对生产过程调度和运行中产生问题的管理和控制,并提供专家诊断结果和修复指导建议,从而实现污水处理过程的故障诊断和优化运行,具有投资少、收益高的特点。通过采用本系统,该污水处理厂的运行成本比设计降低了43%,年节约电费200余万元,单位污水处理费用只有0.22元/吨,并且,该厂的处理能力较设计能力